岩土力学 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (4): 1178-1185.doi: 10.16285/j.rsm.2020.1260

• 数值分析 • 上一篇    下一篇

波流作用下大直径单桩的局部冲刷特征分析

王兆耀1，刘红军1, 2，杨奇3，赵真1，胡瑞庚1   

  1. 1. 中国海洋大学 环境科学与工程学院，山东 青岛 266100；2. 中国海洋大学 山东省海洋环境地质工程重点实验室，山东 青岛 266100； 3. 米兰理工大学 土木与环境工程系，意大利 米兰 20133
  • 收稿日期:2020-08-23 修回日期:2020-10-25 出版日期:2021-04-12 发布日期:2021-04-26
  • 通讯作者: 刘红军，男，1966年生，博士，教授，博士生导师，主要从事海洋工程地质方面的研究。E-mail: hongjun@ouc.edu.cn E-mail: zoyowong@163.com
  • 作者简介:王兆耀，男，1995年生，硕士研究生，主要从事海洋岩土工程方面的研究
  • 基金资助:
    国家自然科学基金（No.41572247）。

Local scour of large diameter monopile under combined waves and currents

WANG Zhao-yao1, LIU Hong-jun1, 2, YANG Qi3, ZHAO Zhen1, HU Rui-geng1   

  1. 1. College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao, Shandong 266100, China; 2. Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Environment and Geological Engineering, Ocean University of China, Qingdao, Shandong 266100, China; 3. Department of Civil and Environmental Engineering, Polytechnic University of Milan, Milan 20133, Italy
  • Received:2020-08-23 Revised:2020-10-25 Online:2021-04-12 Published:2021-04-26
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (41572247).

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摘要： 局部冲刷是水利和海洋工程中常见的现象，波流耦合和桩径效应使得这一问题更加复杂。为了进一步研究波流作用下大直径单桩的局部冲刷特征，在CFD软件FLOW 3D中建立波浪水槽的数值模型，并设计物理模型试验，通过对比局部冲刷的时空特征，验证了数值模拟的准确性。基于某海上风电场桩基工程，采用随机波描述波浪运动，大涡模拟计算湍流运动，分析了波流耦合作用下大直径单桩的局部冲刷特征。结果表明：局部冲刷的空间发展可以分为纵向切蚀、横向扩展和基本稳定3个阶段。最大冲刷深度出现在桩前，为4.9 m，约为0.9倍的桩径。相对应地，局部冲刷的时间发展同样为3个阶段，即快速增长、缓慢增加和冲淤平衡。在20 h后，最大冲刷深度基本不变，冲刷达到稳定状态。

关键词: 局部冲刷, 大直径单桩, 波流耦合, 数值模拟, 最大冲刷深度

Abstract: Local scour often occurs in hydraulic and ocean engineering. Wave-current coupling and pile diameter effect make this problem very complicated. In order to study the local scour characteristics of large diameter monopile under combined waves and currents, a numerical model was established in the CFD software FLOW 3D, and a physical model test was designed. By comparing the scour depth in the physical model test and the results in numerical simulation, the accuracy of numerical simulation was verified. Based on an offshore wind farm project, a field-scale numerical model of seabed and monopile was established. The waves were described by random theory and the turbulence was calculated by large eddy simulation method, and the local scour characteristics of a large diameter monopile under combined waves and currents were analyzed. The results show that the spatial development of local scour can be divided into three stages: longitudinal cutting, lateral spreading and stabilization. The maximum scour depth was 4.9 m in front of the pile, which was about 0.9 times of the pile diameter. Correspondingly, the time development of the local scour can also be divided into three stages: rapid growth, moderate growth and stabilization. After 20 hours, the maximum scour depth remained unchanged, and the local scour reached a stable state.

Key words: local scour, large diameter monopile, wave-current coupling, numerical simulation, maximum scour depth

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